Elaboração e caracterização de filmes a base de alginato de sódio, reticulados com íons bário (Ba²+), estrôncio (Sr²+) ou alumínio (Al³+)

Universidade Estadual de Campinas

Faculdade de Engenharia de Alimentos

Departamento de Engenharia de Alimentos

ELABORAÇÃO E CARACTERIZAÇÃO DE FILMES A BASE

DE ALGINATO DE SÓDIO, RETICULADOS COM ÍONS

BÁRIO (Ba

), ESTRÔNCIO (Sr

) OU ALUMÍNIO (Al

)

Autora: Lady María Salas Valero

Orientador: Profa. Dra. Florencia Menegalli

Co-orientador: Prof. Dr. Theo Guenter Kieckbusch

Dissertação apresentada à Faculdade de Engenharia de

Alimentos como parte dos requisitos exigidos para obtenção

do título de Mestre em Engenharia de Alimentos

ii

FICHA CATALOGRÁFICA ELABORADA PELA BIBLIOTECA DA FEA – UNICAMP

Título em inglês: Elaboration and characterization of films based on sodium alginate crosslinked with barium ion (Ba²+), strontium ion (Sr²+) or aluminum ion (Al³+)

Palavras-chave em inglês (Keywords): Alginate films, Crosslinking, Barium, Strontium, Aluminum

Titulação: Mestre em Engenharia de Alimentos Banca examinadora: Florencia Cecilia Menegalli Cristiana Maria Pedroso Yoshida Antonio Carlos Luz Lisboa Data da defesa: 04/04/2011

Programa de Pós Graduação: Programa em Engenharia de Alimentos

Salas Valero, Lady Maria

Sa31e Elaboração e caracterização de filmes a base de alginato de sódio, reticulados com íons bário (Ba²+), estrôncio (Sr²+) ou alumínio (Al³+). / Lady Maria Salas Valero. -- Campinas, SP: [s.n], 2011.

Orientador: Florência Cecilia Menegalli Co-orientador: Theo Guenter Kieckbusch

Dissertação (mestrado) – Universidade Estadual de Campinas. Faculdade de Engenharia de Alimentos

1. Filmes Alginato. 2. Reticulação. 3. Bário. 4. Estrôncio. 5. Alumínio. I. Menegalli, Florência Cecilia. II. Kieckbusch, Theo Guenter. III. Universidade Estadual de Campinas. Faculdade de Engenharia de Alimentos. IV. Título.

iii

Este exemplar corresponde à redação final da dissertação defendida 04 / 04 / 2011 por Lady Maria Salas Valero aprovado pela comissão julgadora em 04 / 04 / 2011.

Prof. Dr. Florencia Cecilia Menegalli (Orientador)

Prof. Dr. Antônio Carlos Luz Lisboa (Membro)

Prof. Dr. Cristiana Maria Pedroso Yoshida (Membro)

Prof. Dr. Leila Peres (Membro)

Prof. Dr. Rosiane Lopes da Cunha (Membro)

v

único Deus verdadeiro, e daquele que enviaste, Jesus Cristo” (João 17:3).

“Persisti, pois, em buscar primeiro o reino e a Sua justiça, e todas estas [outras] coisas vos serão acrescentadas.” (Mateus 6:33).

“Ao passo que fixamos os olhos, não nas coisas vistas, mas nas coisas não vistas. Porque as coisas vistas são temporárias, mas as coisas não vistas são eternas” (2 Coríntios 4:18).

DEDICATÓRIA

Dedico este trabalho a JEOVÁ Deus, a minha mãe e minha querida familia, pois embora longe fisicamente, me acompanharam na realização deste trabalho me incentivando e me motivando nas minhas alegrias e nas minhas tristezas.

vii

Ao meu amado JEOVÁ Deus; por seu amor especial e incondicional, por estar ao meu lado em todo momento da minha vida;

A minha orientadora a Profa. Dra. Florência Menegalli, pela orientação, pelo apoio e principalemente pela confiança e oportunidade na realização deste trabalho;

Ao meu Co-orientador o Prof. Dr. Theo Guenter Kieckbusch, pelo importante apoio, dedicação, disposição e orientação em todo momento na realização deste trabalho, pelos conhecimentos transmitidos e por abrir as portas do Laboratório de Engenharia de Produtos e Processos em Biorrecursos, LEPPbio, da Faculdade de Engenharia Química, UNICAMP;

Aos membros da banca examinadora: Prof. Dr. Antonio Lisboa, Profa. Dra. Maria Cristiana Pedroso Yoshida, Profa. Dra. Leila Peres e Profa. Dra. Rosiane da Cunha, pelas correções e sugestões que muito contribuíram para a redação e finalização desta dissertação;

A minha querida Mãe Maria Valero Guzman, pelos constantes estímulos e principalemte pelo carinho especial e pela confiança depositada em mim;

À CAPES, pela concessão da bolsa suplementar de estudos;

Ao Departamento de Engenharia de Alimentos da FEA – UNICAMP, por abrir suas portas para realização do mestrado, por tornar um sonho possível;

Aos meus colegas de mestrando e doutorando e minhas amigas Zabdy, Gladys, Rossana (Thanita), Eulalia, Anita, Gabi, Michelle (FEQ), Rossana, Janeth, Veronica, Sonia, Lesli, Heymi, Silvia, Michelle, Susel, Selene e Andrea e meus amigos Jose Zevallos, Mane, Samuel, Julio, Liber, Edwin, Edson Jonhy, Canchita, Hernan, Frank, Baldo, Charsinho, Jhon, Kevin, German, Richard, David, e Darrich pela linda amizade, companherismo e pelos auxilios prestados;

Aos meus amigos Roger, Victor e Noe, pela amizade, pelo apoio, pela colaboração, pelos importantes auxilios no decorrer e na conclusão deste trabalho e por estarem presentes quando mais precisei;

Ao meu pai, Cesar, ao meu irmão Cesar Manuel, minhas irmãs Olga e Elayne e meus queridos sobrinhos Marcelo, Manuel, Pablo, Angela e Miriel, pelo carinho incondicional, apoio e incentivo durante toda a execução desta dissertação;

A todos os meus familiares, meus tios, tias, primos, que me incentivaram e deram suporte sempre que precisei; em especial à minha querida família Mestas Valero;

A meus amigos inesquecíveis Testimunhas de Jeová pelo carinho, compreensão, apoio e dedicação sem igual;

A todas as pessoas que me apoiaram e/ou contribuíram de alguma forma para a realização deste trabalho e estarem sempre presente ao meu lado nos momentos alegres e tristes no decorrer desta pesquisa;

ix

RESUMO

Alginatos são polissacarídeos extraídos de algas pardas que apresentam uma grande gama de aplicações tecnológicas devido a sua conhecida habilidade em formar géis fortes, biodegradáveis e insolúveis em água ao ser reticulado com Ca2+. Biofilmes baseados nesse mecanismo podem ser confeccionados, formando estruturas transparentes e de alta resistência mecânica, mas que exigem considerável quantidade de plastificante para adequar sua flexibilidade. O objetivo deste trabalho foi desenvolver e caracterizar filmes de alginato reticulados com cátions Ba2+, Sr2+ ou Al3+ e seus atributos funcionais foram comparados aos de filmes de alginato de cálcio. Filmes de diferentes espessuras foram elaborados por casting em processo em duas etapas: um protótipo de filme foi inicialmente formado, vertendo alíquotas de uma solução aquosa contendo alginato de sódio, glicerol como agente plastificante e uma pequena quantidade de íons cálcio para promover uma pré-reticulação, em placas quadradas de acrílico e submetidas a secagem a 40°C. A reticulação destes pré-filmes foi complementada por imersão em soluções de cloreto de bário, de estrôncio ou de alumínio. Filmes com diferentes graus de reticulação, e diferentes concentrações de glicerol foram caracterizados em relação a suas propriedades, tais como: aspecto visual, conteúdo de umidade, massa solubilizada, permeabilidade ao vapor de água, intumescimento em água, resistência mecânica à tração, alongamento, observações por microscopia eletrônica de varredura, opacidade e cor. O estudo indica que o cloreto de bário é uma alternativa eficiente como agente reticulante por apresentar rápida e intensa reticulação da camada superficial dos filmes de alginato formando filmes com boas propriedades funcionais, excelente manuseabilidade, e altos valores de alongamento, porém menos transparentes. Filmes reticulados com Sr2+ apresentaram características funcionais superiores aos filmes reticulados com Ca2+ de mesma espessura, exceto quanto à permeabilidade ao vapor d’água, que foi ligeiramente mais alta. O uso do íon trivalente Al3+_{, que é pequeno e lábil,} como agente reticulante formou filmes densos devido à reticulação em todo o seu volume, exibindo limitados atributos funcionais, sobretudo em relação a flexibilidade, pois sua compacta estrutura tridimensional impedia a incorporação de glicerol.

xi

Alginates are polysaccharides extracted from brown seaweeds with a large range of technological applications due to their well known ability to form strong gels that are biodegradable and insoluble in water when crosslinked with calcium ions. Films based on this mechanism can be confectioned, forming transparent structures with high mechanical resistance, but require considerable amount of plasticizers in order to become flexible. This work evaluated the development and characterization of alginate films reticulated with Ba2+, Sr2+ or Al3+ and their functional attributes were compared to films of calcium alginate. Prototypes of films with distinct thicknesses were confectioned by casting in a two-step procedure: different aliquots of an aqueous solution containing sodium alginate, glycerol as plasticizer and a small amount of calcium chloride in order to promote a weak crosslinking were poured in Plexiglas square dishes and dried at 40ºC. The crosslinking of these pre-films were further complemented by immersion in solutions containing barium, strontium or aluminum chloride. Films of different degrees of reticulation and different concentration of glycerol were characterized as to visual appearance, water content, swelling degree, soluble mass, water vapor permeability, mechanical resistance to tension and elongation, opacity, color and were also submitted to SEM observation. This investigation selects barium as an excellent alternative crosslinking agent, since it promotes a fast and intense surface reticulation producing films with good physical attributes and handling, due to their high values of elongation. Films reticulated with Sr2+ show slightly better functional properties compared to calcium alginate films of the same thickness. The use of the small and labile trivalent Al3+ ion as reticulant led to very dense structures due to its ability to crosslink the film core. The films formed, however, were brittle due to lack of flexibility, since the tight tridimensional structure hindered the incorporation of glycerol.

xiii

CAPÍTULO 1 ... 1

1 INTRODUÇÃO ... 1

CAPÍTULO 2 ... 5

2 REVISÃOBIBLIOGRÁFICA ... 5

2.1 Filmes e coberturas biodegradáveis ... 5

2.2 Biopolímeros ... 6

2.3 Alginato ... 8

2.3.1 Composição química ... 9

2.3.2. Propriedades físico-quimicas ... 11

2.3.3. Aplicações do Alginato e de seus filmes ... 12

2.3.4. Reticulação... 13

2.4 Plastificantes ... 18

2.5 Elaboração de filmes de alginato. ... 20

2.6 Caracterização das propriedades dos filmes... 24

2.6.1. Permeabilidade ao vapor de água (PVA) ... 24

2.6.2. Massa solubilizada em água (MS) ... 25

2.6.3. Intumescimento (GI) ... 25

2.6.4. Propriedades mecânicas ... 25

2.6.5. Espessura ( ) ... 26

2.6.6. Cor e Opacidade ... 27

2.6.7. Microscopia óptica de varredura (MEV) ... 27

2.6.8. Temperatura de transição vítrea (Tg) ... 28

CAPÍTULO 3 ... 29

3 MATERIAISEMÉTODOS ... 29

3.1 Matéria-prima ... 29

3.2 Elaboração dos filmes ... 29

3.2.1 Pré-reticulação (1° Estágio) ... 29

xiv

3.5 Caracterização físico-química dos filmes ... 34

3.5.1. Aspecto visual ... 34

3.5.2. Conteúdo de umidade ... 34

3.5.3. Massa solubilizada, MS ... 34

3.5.4. Espessura, ... 35

3.5.5. Permeabilidade ao vapor de água, PVA ... 35

3.5.6. Grau de Intumescimento, GI ... 36

3.5.7. Propriedades mecânicas ... 36

3.5.8. Microscopia Eletrônica de Varredura, MEV ... 37

3.5.9. Opacidade e Cor ... 37

3.5.10. Temperatura de Transição Vítrea, Tg ... 38

3.6 Análise estatística dos dados ... 39

CAPÍTULO 4 ... 41

4 RESULTADOSEDISCUSSÃO ... 41

4.1 Resultados preliminares... 41

4.2 Definição de formulações e procedimentos ... 53

4.2.1 Análises subjetivas ... 53

4.2.2 Propriedades funcionais dos filmes de alginato. ... 54

4.3 Determinações complementares ... 71

4.3.1 Opacidade e Cor ... 71

4.3.1.a. Opacidade de filmes (3% glicerol) ... 71

4.3.1.b. Parâmetros de cor e opacidade (10% glicerol) ... 72

4.3.2 Microscopia eletrônica de varredura ... 75

CAPÍTULO 5 ... 81

5 CONCLUSÕESESUGESTÕESPARATRABALHOSFUTUROS ... 81

5.1 Conclusões ... 81

5.2 Sugestões para Trabalhos futuros ... 82

xv

Lista de Figuras

Figura 2.1. Fotografias de Algas marinhas (a) Macrocystis pyrifera, (b) Laminaria hyperborea, (c)

Laminaria digitata. ... 9

Figura 2.2. Estrutura do ácido -L-gulurônico e do ácido -D-manurônico (DRAGET et al., 2005). .. 9

Figura 2.3. Estrutura dos blocos homopoliméricos e heteropoliméricos MG, que constituem a molécula de alginato. Sequência (a) M-M, (b) G-G e (c) G-G- M-G-M; (d) Distribuição de blocos ( DRAGET et al., 2005). ... 10

Figura 2.4. Formação do gel de alginato de cálcio: (a) homopolímeros de unidade de ácido gulurônico em solução; (b) ligação entre as cadeias homopoliméricas através dos íons cálcio; (c) Modelo “caixa de ovos” (BRYCE et al., 1974; KAWAGUTI, 2008) ... 14

Figura 2.5. Formação da rede do gel do alginato por íons multivalentes (YALPANI, 1998) ... 17

Figura 2.6. Esquema das interações entre íon Ba2+ com moléculas de H2O e metades de–COOH sobre resíduos G dentro a matriz do alginato (CHOONARA et al., 2008). ... 18

Figura 2.7. Fluxograma da elaboração de filmes de alginato (ZACTITI e KIECKBUSCH, 2004). .... 22

Figura 3.1. Fluxograma do 1° Estágio de elaboração de filmes de alginato... 30

Figura 3.2. Fluxograma do 2° Estágio de elaboração de filmes de alginato... 31

Figura 3.3. Célula de acrílico para a medida da permeabilidade ... 36

Figura 4.1. Variação do grau de intumescimento de Filmes Ba com o tempo ... 44

Figura 4.2. Variação do grau de intumescimento de Filmes Sr obtidos com 2 minutos de imersão no 2° Estágio. ... 45

Figura 4.3. Efeito da espessura de Filmes Ba na PVA ... 49

Figura 4.4. Efeito da massa de solução filmogênica na espessura dos filmes de alginato ... 51

Figura 4.5. Efeito da espessura de Filmes Sr na PVA de filmes de alginato ... 51

Figura 4.6. Efeito da concentração do glicerol na solução do 2° Estágio sobre PVA e a espessura de filmes de alginato (a) Espessura de filmes obtidos com 40 g de MSF, (b) Espessura de filmes obtidos com 80 g de MSF (c) PVA de filmes de alginato obtidos com 40 g MSF. (d) PVA de filmes de alginato obtidos com 80 g MSF ... 64

Figura 4.7. Efeito da espessura na PVA de filmes reticulados com íons polivalentes. (a) Filmes obtidos com 40 g de MSF (b) Filmes obtidos com 40 g de MSF ... 65

Figura 4.8. Efeito da concentração de glicerol na reticulação do 2° Estágio sobre a umidade de filmes (a) Filmes obtidos com 40 g MSF. (b) Filmes obtidos com 80 g MSF ... 66

xvi

Figura 4.10. Efeito da concentração do glicerol na solução do 2° Estágio sobre a tensão de ruptura

e alongamento de filmes (a) TR de filmes obtidos com 40 g de MSF, (b) TR de filmes obtidos com 80 g de MSF (c) AL de filmes de alginato obtidos com 40 g MSF. (d) AL de filmes de

alginato obtidos com 80 g MSF ... 69

Figura 4.11. Efeito da reticulação com íons polivalentes na PVA, TR e AL de filmes de alginato .... 71 Figura 4.12. Efeito do tipo de reticulante na opacidade do filme (3% glicerol) ... 72 Figura 4.13. Micrografias de filmes de alginato reticulados com íons Ca2+; (3% glicerol): (a)

superfície dos Filmes 3Ca; (b) Seção transversal Filmes 3Ca; (10% glicerol): (c) Superfície dos

Filmes 3Ca; (d) Seção transversal Filmes 3Ca ... 75

Figura 4.14. Micrografias de filmes de alginato reticulados com íons Sr2+; (3% glicerol):(a) Superfície dos Filmes 5Sr (b) Seção transversal Filmes 5Sr; (10% glicerol): (c) Superfície dos Filmes 5Sr; (d) Seção transversal Filmes 5Sr ... 76

Figura 4.15. Micrografias de filmes de alginato reticulados com íons Al3+; (3% glicerol): (a) Superfície dos Filmes 5Al; (b) Seção transversal Filmes 5Al; (10% glicerol):(c) Superfície dos Filmes 5Al; (d) Seção transversal Filmes 5Al ... 77

Figura 4.16. Micrografias de filmes de alginato reticulados com íons Ba2+; (3% glicerol): (a)

Superfície dos Filmes 5Ba; (b) Seção transversal Filmes 5Ba; (10% glicerol): (c) Superfície dos

Filmes 5Ba; (d) Seção transversal dos Filmes 5Ba ... 78

Figura 4.17. Micrografias de filmes de alginato reticulados com íons Ba2+; (3% glicerol): (a)

Superfície dos Filmes 1Ba; (b) Seção transversal Filmes 1Ba; (10% glicerol); (c) Superfície dos

xvii

Tabela 2.1. Típicos perfis de blocos G e M de diferentes algas ... 16 Tabela 3.1. Relação entre Razão de Pré-reticulação e concentração de cálcio na solução

pré-reticuladora... 32

Tabela 3.2. Formulações no 2° Estágio para filmes de alginato... 33 Tabela 4.1. Efeito da Razão de Pré-reticulação (RPR) com Ca2+ no 1° Estágio nas propriedades

físicas de Filmes Ca (2° Estágio: 2 min em solução de 3% CaCl2.H2O e 3% glicerol) ... 42

Tabela 4.2. Efeito da Razão de Pré-reticulação (RPR) com Ca2+ no 1° Estágio nas propriedades físicas de Filmes Ba (2° Estágio: 1 min em solução de 8,3% de BaCl2.2H2O e 3% glicerol). ... 43

Tabela 4.3. Efeito da Razão de Pré-reticulação (RPR) com Ca2+ no 1° Estágio nas propriedades físicas de Filmes Sr (2° Estágio: 2, 5 e 10 min em solução de 9% de SrCl2.2H2O e 3% glicerol) 44

Tabela 4.4. Efeito da Razão de Pré-reticulação (RPR) com Ca2+ no 1° Estágio nas propriedades físicas de Filmes 5Al (2° Estágio: 2, 5 e 10 min de imersão em solução contendo 5,48%

AlCl3.6H2O e 3% glicerol). ... 46

Tabela 4.5. Efeito da Razão de Pré-reticulação (RPR) com Ca2+ no 1° Estágio nas propriedades físicas de Filmes 8Al (2° Estágio: 2, 5 e 10 min de imersão em solução contendo 8,21 %

AlCl3.6H2O e 3% glicerol) ... 47

Tabela 4.6. Espessura e Grau de Intumescimento de Filmes Ba obtidos com diferentes massas de

solução filmogênica ... 48

Tabela 4.7. Espessura e Grau de Intumescimento de Filmes Sr obtidos com diferentes massas de

solução filmogênica formadora ... 50

Tabela 4.8. Parâmetros subjetivos de filmes de alginato reticulados com íons Ca2+ Ba2+, Sr2+ ou Al3+ ... 53

Tabela 4.9. Permeabilidade ao vapor de água (PVA), umidade (UBU), massa solubilizada (MS),

tensão de ruptura (TR), alongamento (AL), de filmes reticulados com Ca2+ por imersão por 3 min em solução contendo 3% CaCl2.2H2O e 3% de glicerol (Filmes 3Ca) e 5% CaCl2.2H2O e 3% glicerol (Filmes 5Ca) em função da espessura. ... 56

Tabela 4.10. Permeabilidade ao vapor de água (PVA), umidade (UBU), massa solubilizada (MS),

tensão de ruptura (TR), alongamento (AL), de filmes reticulados com Sr2+ por imersão por 5 min em solução contendo 5% SrCl2.2H2O e 3% de glicerol (Filmes 5Sr), 9% SrCl2.2H20 e 3% glicerol (Filmes 9Sr) e 15% SrCl2.2H20 e 3% glicerol (Filmes 15Sr) em função da espessura. ... 57

xviii

em solução contendo 1% BaCl2.2H2O e 3% de glicerol (Filmes 1Ba), 3% BaCl2.2H20 e 3% glicerol (Filmes 3Ba), 5% BaCl2.2H20 e 3% glicerol (Filmes 5Ba) e 8,3% BaCl2.2H2O e 3%

glicerol (Filmes 8Ba) em função da espessura. ... 58

Tabela 4.12. Permeabilidade ao vapor de água (PVA), umidade (UBU), massa solubilizada (MS), de

filmes reticulados com Ba2+ por imersão em uma solução contendo 1% BaCl2.2H2O e 3% de glicerol (Filmes 1Ba) em função do tempo de imersão. ... 63

Tabela 4.13. Formulações recomendadas para o 2° Estágio ... 70 Tabela 4.14. Efeito do tipo de reticulante na opacidade do filme (10% glicerol) ... 73

xix

A Área da seção transversal do filme m2

Ae Área da superfície exposta do filme m2

AL Alongamento na ruptura %

Espessura µm

E' Módulo de armazenamento -

E'' Módulo de perda -

Fm Força máxima no momento da rupture N

G Coeficiente angular, massa versus tempo g/dia

GI Grau de intumescimento %

*

L

P

L ,

a

b

mi Massa total inicial da amostra g

mf Massa seca final da amostra g

mu massa final úmida do filme g

MS Massa solubilizada %

MEV Microscopia eletrônica de varredura -

PVA Permeabilidade de vapor de água (g.mm)/(m2.dia.kPa)

RPR Razão de Pré-reticulação mg/g

MS Massa solubilizável %

Tg Temperatura de transição vítrea ºC

TR Tensão na rupture MPa

xx

Y Opacidade no modo transmitância dos filmes %

Yp Opacidade do filme sobreposto a um fundo preto %

Yb Opacidade do filme sobreposto a um fundo branco %

Diferença total de cor -

Diferença de pressão de vapor de água parcial kPa

O H

P

1

INTRODUÇÃO

Nos últimos anos, termos como “biodegradável, biocompatível, ambientalmente amigável, renovável anualmente, sustentável, verde e biopolímeros”, são as palavras-chaves mais frequentes na literatura relacionada com embalagens (BRIASSOULIS, 2004; RHIM e NG, 2007; FARRIS et al., 2009; ZHANG e MITTAL, 2010). As preocupações ambientais causadas pelo descarte de embalagens de plástico baseadas em materiais petroquímicos têm aumentado o interesse pelas embalagens biodegradáveis (RHIM e NG, 2007).

Indústrias de alimentos e pesquisadores têm mostrado um grande interesse pelo desenvolvimento de filmes e coberturas biodegradáveis para melhorar a qualidade de alimentos frescos como frutas, verduras parcialmente processadas e vegetais em conserva (DEBEAUFORT et

al., 1998; KESTER e FENNEMA, 1986; KROCHTA e DE MULDER-JOHNSTON, 1997) assim como

para a substituição de embalagens plásticas não-degradáveis cujo descarte causa um impacto negativo para no ambiente (LIMA et al., 2007; ZHANG e MITTAL, 2010). Hoje, diferentes plásticos sintéticos, totalizando cerca de 200 milhões de toneladas por ano, são produzidas em todo o mundo (ZHANG et al., 2002).

O alginato, um polissacarídeo extraído de algas pardas, pode ser usado para a elaboração de filmes biodegradáveis. O alginato tem a capacidade de reter água, além de gelificar e estabilizar a suas propriedades funcionais. Devido à sua estrutura linear e alto peso molecular, alginatos formam filmes resistentes (RINAUDO, 2008).

Embora o alginato de sódio seja facilmente dissolvido em água, alginatos insolúveis em água podem ser preparados quando os íons de sódio do alginato são substituídos por cátions divalentes e trivalentes, tais como Cu2+, Fe2+, Ca2+, Sr2+, Ba2+ e Al3+ (NAKAMURA et al., 2000; USOV, 1999).

A preferência pelo uso do cálcio na reticulação provém de pesquisas que o recomendam por ser abundante, fácil uso e excelente poder gelificante (ALLEN et al., 1963). Entretanto, géis de alginato de cálcio são facilmente desestabilizados na presença de cátions monovalentes (SMIDSRØD e SKJAK-BRAEK, 1990) e também complexos de ânions, tais como fosfato, citrato e lactato, que têm alta afinidade por íons de cálcio. A instabilidade pode ser causada também pela

2

presença de alta concentração de íons não-gelificantes, como sódio e magnésio (AYALA et al., 2008).

O poder gelificante desses cátions decresce na sequência (Yrr et al., 2006):

Pb2+ > Cu 2+> Cd2+ > Ba2+ > Sr2+ > Ca2+ > Co2+, Ni2+, Zn2+ > Mn 2+>>> Mg2+

Trabalhos que usam Ba2+ têm surgido na literatura recente, sobretudo em pesquisas de liberação controlada de fármacos em estruturas compostas de alginato e quitosana e que utilizam fosfatos no seu preparo. O íon fosfato sequestra os íons Ca2+, destruindo a matriz reticulada de alginato e essa liquefação é evitada se a reticulação for feita com bário ou estrôncio.

Poucos trabalhos foram encontrados na literatura nos quais se confecciona filmes de alginato de sódio com estrutura autossustentável e reticulados com cátions diferentes do Ca2+. Esses trabalhos não utilizam plastificantes e não houve preocupação em obter filmes com características adequadas para servir como embalagem (AL-MUSA et al., 1999; NAKAMURA et al.,1995). Al-Musa

et al. (1999) incorporaram um fármaco a filmes reticulado com BaCl2, SrCl2ou AlCl3 e estudaram a liberação, enquanto que Nakamura et al. (1995) avaliaram propriedades térmicas de transição vítrea e calor específico em filmes reticulados com FeCl2, CuCl2, FeCl3 e AlCl3. Ambos concluíram que uma estrutura mais compacta foi obtida com os íons de maior tamanho.

O presente trabalho de pesquisa propõe avaliar o potencial de uso do Ba2+, Sr2+ e Al3+ na reticulação de alginato visando a elaboração de biofilmes de aspecto atraente e com propriedades funcionais adequadas para servirem como embalagem.

Objetivos gerais: O objetivo geral dessa pesquisa foi produzir filmes à base de alginato de

sódio reticulados com íons bário, estrôncio ou alumínio e caracterizá-los em relação à aparência, atributos físico-químicos, e resistência mecânica.

Objetivos específicos:

a) Elaborar filmes através da reticulação usando Ba2+, Sr2+e Al3+.

b) Preparar filmes de alginato pré-tratados com cálcio e realizar a reticulação complementar por íons Ba2+, Sr2+ ou Al3+.

c) Determinar a influência da concentração desses íons, espessura do filme, concentração do plastificante e tempo de contato na solução reticuladora complementar sobre os atributos funcionais dos filmes.

3

d) Selecionar formulações representativas dos filmes biodegradáveis e realizar sua caracterização físico-química, observações de microscopia, temperatura de transição vítrea e quantificação da opacidade e da cor.

O estudo experimental foi realizado no Laboratório de Engenharia de Produtos e Processos em Biorrecursos, LEPPbio, da Faculdade de Engenharia Química, UNICAMP.

2

REVISÃO BIBLIOGRÁFICA

Nos últimos anos, o interesse em pesquisar o uso de polímeros naturais provenientes de fontes renováveis aumentou devido, sobretudo, ao problema do descarte de plástico após o consumo e à reduzida disponibilidade de aterros.

Polímeros biodegradáveis são conhecidos há muitas décadas, mas sua utilização tem sido ignorada por causa do baixo custo de polímeros sintéticos. Eles poderiam substituir polímeros sintéticos em muitas aplicações, reduzindo desta forma os problemas de disponibilidade de matérias plásticas e da tradicional dependência do petróleo (BRIASSOULIS, 2006).

A biodegradação pode acontecer por microorganismos em um processo de compostagem, gerando dióxido de carbono, água, metano e outros resíduos de biomassa (KROCHTA e DE MULDER-JOHNSTON, 1997). Para que este processo aconteça apropriadamente precisa-se de um ambiente quente e úmido, pH adequado, nutrientes, oxigênio e tempo (KROCHTA, 2002).

Filmes e coberturas biodegradáveis já foram aplicados como embalagens em carnes, aves, mariscos, frutas (maça, morango, banana, manga, abacaxi, mamão), verduras (cenoura, pepino berinjela, tomate), grãos, doces, alimentos frescos, curados, congelados, tratados e outros como noz, amêndoa, alho, sementes (HERSHKO e NUSSINOVITCH, 1998; DEBEAUFORT et al., 1998; TAPIA et al., 2008; OLIVEIRA e SOLDI, 2009).

2.1

Filmes e coberturas biodegradáveis

Filmes ou coberturas biodegradáveis devem cumprir certas características físico-químicas para serem utilizadas como embalagens na indústria de alimentos (DEBEAUFORT et al., 1998; RHIM e NG, 2007). Segundo Debeaufort et al. (1998) esses filmes precisam ter requisitos como:

Boas qualidades sensoriais.

Impenetrabilidade para gases e solutos.

Resistência mecânica.

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Livre de compostos tóxicos e seguros para a saúde.

Ser elaborados com tecnologia simples.

Não ser poluente.

Baixo custo de matérias-primas e do processo de elaboração.

O uso desses materiais em embalagens para alimentos vai depender, além desses requisitos, também de seus atributos funcionais. Segundo Cuq et al. (1996) e Lacroix e Tien (2005) esses atributos são:

Propriedades mecânicas (resistência e flexibilidade).

Propriedades ópticas (cor e opacidade).

Propriedades de barreira (permeabilidades ao vapor de água, gás, luz, aroma).

Solubilidade em água.

Propriedades sensoriais.

Resistência à temperatura.

Esses atributos dependem das características do biopolímero usado (conformação, massa molecular, distribuição de cargas, polaridade), das condições de fabricação (pH, concentração de biopolímeros na solução filmogênica, tratamento térmico da solução, tipo e teor de aditivos, como os plastificantes) e das condições ambientais (temperatura e umidade relativa) (CUQ et al., 1996).

2.2

Biopolímeros

Biopolímeros são polímeros naturais obtidos a partir de produtos vegetais ou animais, tais como proteínas, polissacarídeos, lipídios, resinas (JONES e McCLEMENTS, 2010). Eles podem ser usados isoladamente ou em combinações. As características físicas e químicas dos biopolímeros influenciam fortemente as propriedades dos filmes e coberturas (SOTHORNVIT e KROCHTA, 2000). Os materiais de formação de película podem ser hidrofílicos ou hidrofóbicos. A fim de manter sua comestibilidade, os solventes usados se restringem a água e etanol (HAN e GENNADIOS, 2005).

As diferentes fontes de biopolímeros destinados à elaboração de filmes e coberturas bem como suas propriedades e aplicações como embalagens alimentícias têm sido revisadas e exploradas por diversos autores nos últimos anos (GUILBERT et al., 1996; KROCHTA e DE MULDER-JOHNSTON, 1997; Debeaufort et al., 1998; CUTTER e SUMNER 2002 THARANATHAN, 2003, ZACTITI 2004, RHIM e NG, 2007).

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Além dos biopolímeros, outros aditivos importantes devem ser considerados para formar um filme e cobertura biodegradável. Plastificantes frequentemente devem ser adicionados para reduzir a fragilidade do filme, assim como emulsificantes (KROCHTA, 2002). Para melhorar as propriedades funcionais dos filmes e coberturas, estes podem ser adicionados com ingredientes ativos, tais como: antioxidantes, agentes antimicrobiais, corantes, saborizantes, aromatizantes, nutrientes enriquecidos, especiarias (FLOROS et al., 1997; RHIM e NG, 2007).

Em geral, os filmes ou coberturas à base de proteínas são mais permeáveis ao vapor de água do que de lipídeos e tendem a ser mais capazes de formar filmes auto-sustentáveis (KOELSCH, 1994; CONCA 2002). Estes filmes apresentam efetiva barreira a gases (CO2 e O2) (KROCHTA, 2002).

Filmes desenvolvidos a partir de lipídios são usados pela excelente propriedade de barreira contra umidade, mas podem oxidar, alterando as características sensoriais (GUILBERT et al.,1997).

Filmes baseados em hidrocolóides como polissacarídeos exibem limitada capacidade de barreira de vapor de água, devido à sua natureza hidrofílica (GENNADIOS et al., 1997; LACROIX e TIEN, 2005). Contudo, estes filmes apresentam boas propriedades de barreira a gases, aromas, óleos e gorduras (BALDWIN et al., 1995; GUILBERT et al., 1997; LACROIX e TIEN, 2005). As propriedades de permeabilidade a gás é um fator desejável para filmes colocados em atmosferas modificadas, aumentando a vida útil do produto sem a criação de condições anaeróbias (BALDWIN

et al., 1995). Certos filmes de polissacarídeo podem fornecer uma proteção eficaz contra

escurecimento da superfície, e oxidação de lipídios e outros componentes dos alimentos (KESTER e FENNEMA, 1986; NISPEROS-CARRIEDO, 1994; LACROIX e Tien, 2005).

Filmes de polissacarídeos geralmente requerem plastificantes para alcançar as propriedades mecânicas desejáveis. Os plastificantes devem ter uma estrutura química semelhantes à do polissacarídeo. Plastificantes hidrofílicos contendo grupos hidroxila são mais adequados para este uso SOTHORNVIT e KROCHTA, 2005.

Materiais como polissacarídeos formadores de filmes incluem amido e seus derivados como a maltodextrina, derivados de celulose (carboximetilcelulose, metilcelulose, hidroxipropilcelulose, hidroxipropil, celulose microcristalina), extrato de algas (alginato, carragenanas, ágar), extrato de tecido conjuntivo de crustáceos (quitosana), gomas microbianas (árabe, ghatti, karaya, guar, goma xantana, gelana, pullulan, elsinan, levana), extratos de vegetais (pectina). Além disso, as proteínas podem ser utilizadas em blendas com polissacarídeos para modificar as propriedades mecânicas dos filmes (DEBEAUFORT et al., 1998; ARVANITOYANNIS et al., 1998; KROCHTA, 2002; LACROIX e TIEN, 2005; RINAUDO, 2008; JONES e McCLEMENTS, 2010). A literatura cientifica

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focou uma grande parte das investigações na compreensão do comportamento de sistemas polissacarídeo-proteína, e seu potencial para formação de novas partículas de biopolímeros (VAN DER GOOT e MANSKI, 2007; JONES e McCLEMENTS, 2010).

A maioria dos carboidratos é neutra, enquanto algumas gomas (fibras dietéticas) apresentam carga negativa. Embora essa neutralidade eletrostática de carboidratos não afete significativamente as propriedades dos filmes formados, a ocorrência de um número relativamente grande de grupos hidroxila ou outras moléculas hidrofílicas na estrutura indica que ligações de hidrogênio podem desempenhar um papel significativo na formação do filme e suas características. Algumas gomas carregadas negativamente, tais como alginato, pectina e carboximetilcelulose, mostram, significativamente, diferentes propriedades reológicas em pH ácido do que em pH neutro ou alcalino (LACROIX e TIEN, 2005).

O uso de polissacarídeos como materiais de revestimento (filmes ou coberturas) para proteção de alimentos tem crescido bastante nos últimos anos (CUTTER e SUMNER, 2002; LACROIX e TIEN, 2005). Geralmente, estes sistemas são projetados, aproveitando as suas propriedades de barreira contra os impactos físicos-mecânicos, reações químicas, e a invasão microbiológica. Além disso, a utilização de polissacarídeos apresenta vantagens devido à sua disponibilidade, baixo custo, biodegradabilidade e podem ser facilmente modificados a fim de melhorar suas propriedades físico-químicas (LACROIX e TIEN, 2005).

2.3

Alginato

"Alginato" é o termo usado geralmente para os sais de ácido algínico, mas também pode se referir a todos os derivados do ácido algínico e ao ácido algínico em si mesmo, em algumas publicações (McHUGH, 2003).

O alginato é um carboidrato coloidal hidrofílico extraído com soluções diluídas de álcalis de uma classe de algas pardas conhecidas como Phaeophyceae (MOURA et al., 2008; RINAUDO, 2008). As principais algas marinhas para produção comercial de alginato são Macrocystis pyrifera,

Laminaria hyperborea, Laminaria digitata e Ascophyllum nodosum (Figura 2.1), que são encontradas

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a) b) c)

Figura 2.1. Fotografias de Algas marinhas (a) Macrocystis pyrifera, (b) Laminaria hyperborea, (c)

Laminaria digitata.

Embora as algas pardas sejam a fonte utilizada para a produção comercial do alginato, algumas bactérias também são capazes de sintetizá-la, na forma de polissacarídeo capsular. Entre essas bactérias estão a Azotobacter vinelandii, a Azotobacter chroococcum e algumas espécies do gênero Pseudomonas (ERTESVÅG e VALLA, 1998). Os alginatos bacterianos são uma fonte alternativa interessante, pois podem ser produzidos em condições controladas e padronizadas, além de oferecer uma alta regularidade na estrutura primária (VANDAMME et al., 1996).

2.3.1 Composição química

Em termos moleculares, o alginato é um copolímero linear composto de resíduos do ácido -D-manurônico (M) e do ácido -L-gulurônico (G) unidos por ligações glicosídicas do tipo (1-4) (DRAGET et al., 2005). Ver Figura 2.2.

-L-GULURÔNICO -D-MANURÔNICO

Figura 2.2. Estrutura do ácido -L-gulurônico e do ácido -D-manurônico (DRAGET et al., 2005).

Esses monômeros podem ser organizados por resíduos M ou G ou resíduos alternados MG consecutivos, também conhecidos como blocos homopoliméricos, M (MMMM) e G (GGGG), e por

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blocos heteropoliméricos MG (MGMGMGMG) conforme a Figura 2.3 (GACESA, 1988; HAUG et al., 1967; STOKKE et al., 1991).

A proporção de ácidos manurônico e gulurônico e sua distribuição na cadeia dependem da fonte da alga e das partes diferentes da alga (caule ou folha) utilizada, da época do ano e das condições de crescimento da alga (HAUG et al., 1967; KESTER e FENNEMA, 1986; SMIDSRØD e DRAGET, 1996; PILLAY e FASSIHI, 1999; DRAGET et al., 2005).

Devido à orientação das ligações glicosídicas, as regiões da cadeia nas quais predominam blocos-M adquirem forma linear, enquanto as regiões de blocos-G adquirem forma ondulada, como representado na Figura 2.3 (GACESA, 1988).

Figura 2.3. Estrutura dos blocos homopoliméricos e heteropoliméricos MG, que constituem a

molécula de alginato. Sequência (a) M-M, (b) G-G e (c) G-G- M-G-M; (d) Distribuição de blocos ( DRAGET et al., 2005).

Blocos M Blocos G Blocos G Blocos G-M

(a)

(b)

(c)

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2.3.2. Propriedades físico-quimicas

O alginato de sódio é um pó fino quase inodoro e insípido, de cor branca amarelada. Esse biopolímero é bastante hidrossolúvel, formando uma solução coloidal viscosa. O alginato é um polímero biodegradável, biocompatível e não tóxico (PAVLATH et al., 1999; LIMA et al., 2007).

Segundo Smidsrød e Draget, 1996; McHugh, 2003 e Draget et al., 2005 o uso do alginato está baseado em três principais propriedades:

i) A capacidade de espessar uma solução, quando dissolvido em água.

ii) A capacidade gelificante na presença de cátions polivalentes (gelificação iônica) ou quando o pH é inferior a 3,5 (gelificação ácida).

iii) A capacidade de formar filmes de alginato.

A relação entre os dois grupos de ácido gulurônico e manurônico do alginato contribuem para várias características em termos de estrutura e de biocompatibilidade. Este polissacarídeo hidrofílico tem um alto peso molecular (90.000 a 290.000 Dalton), é solúvel em soluções aquosas e estável entre pH 4 e 10 (BECKER et al., 2001). Assim as propriedades físico-químicas do alginato dependem estritamente da sua composição e sequência de resíduos gulurônico e manurônico na cadeia polimérica (DRAGET et al., 2006).

Os blocos MG do alginato formam as cadeias mais flexíveis e são mais solúveis em valores baixos de pH. Já os blocos G formam cadeias rígidas em que duas cadeias G, com mais de seis resíduos cada, podem ser ligados por íons bivalentes levando a formação de gel. Em valores de pH baixos, alginatos de alta massa molar protonados podem formar géis ácidos fracos. Nestes géis, a maior parte são cadeias homopoliméricas as quais formam junções, mas a estabilidade depende do conteúdo de cadeias G. Géis elaborados a partir de um alginato de elevado teor de ácido -L-gulurônico exibem alta porosidade, baixo encolhimento durante a formação do gel e menor inchamento após secagem; no entanto, têm maior propensão a apresentar sinérese, e podem ser rígidos e frágeis. Porém os géis produzidos a partir de alginatos com um baixo teor de ácido -L-gulurônico são mais elásticos, os géis tornam-se mais macios e apresentam poros de menor tamanho. (CHAPMAN e CHAPMAN, 1980; KAWAGUTI e SATO, 2008).

Estudos reológicos e de dispersão de luz com alginatos sugerem que os blocos diminuem a rigidez do gel na sequência G > M > MG (SMIDSRØD, 1973; SMIDSRØD, 1974).

Comparado com outros polissacarídeos gelificantes, a característica mais marcante dos alginatos é a ligação seletiva com cátions polivalentes, sendo a base para a formação de gel. Outros

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fatos importantes são que a solução e/ou gel de alginato não é particularmente influenciada pela temperatura (DRAGET et al., 2005). Assim alginatos formam géis estáveis ao longo da faixa de temperatura de 0°C – 100°C, embora o módulo de rigidez do gel diminua com o aumento da temperatura (GACESA, 1988). Os géis podem ser preparados tanto em água quente como fria (CHAPMAN e CHAPMAN, 1980).

2.3.3. Aplicações do alginato e de seus filmes

A principal aplicação comercial do alginato é na forma de sal, sendo mais utilizados os sais de alginatos de sódio, potássio e amônia. Devido a suas propriedades coloidais, este biopolímero é amplamente utilizados nas indústrias alimentícias, na área da saúde, indústrias têxteis e de papel (ERTESVÅG e VALLA, 1998).

Na área de alimentos o alginato tem sido utilizado por ser um polímero com boas propriedades físico-químicas que o torna um material interessante para inúmeras aplicações tais como: vinhos, sorvetes, sopas, sucos, cerveja, temperos, maionese, ketchup, margarina, recheio de bolos, recheios de aceitona, geléia, pudins merengues, milk shakes, coquetel de frutas, pastas, alimentos congelados, alimentos dietéticos, alimentos reestruturados, revestimentos comestíveis, etc (ASPINALL, 1883; AMANATIDOU et al., 2000; RAVISHANKAR et al., 2005; LACROIX e TIEN, 2005; DRAGET et al., 2005; DRAGET et al., 2006; LIMA et al 2007).

Na área de saúde, farmacêutica e odontológica, o alginato tem sido usado para múltiplas aplicações como a liberação controlada de drogas, imobilização de células ou de biocatalisadores para uso em transplantes humanos, micro/nano encapsulação, engenharia do tecido, curativos, esferas, filmes com nanocompósitos (ERTESVÅG e VALLA, 1998; MOE et al., 1995; SKJAK-BRAEK e ESPEVIK, 1996; VELTEN et al., 1999; DETTMAR et al., 2011; RAVISHANKAR et al. 2005; CALAFIORE et al., 2006; PONGJANYAKUL e PUTTIPIPATKHACHORN, 2007; KAWAGUTI e SATO, 2008).

No meio ambiente, uma das principais aplicações dos alginatos é como bioabsorventes para a remoção de metais de águas residuárias (DAVIS et al., 2003). Também é usado na área têxtil, além de ser utilizados para revestimento de papel para obter a uniformidade da superfície e como agentes de ligação para a produção de hastes de soldadura. Neste último caso, o alginato dá estabilidade no processo de elaboração e funciona como um plastificante durante o processo de extrusão. (ONSØYEN, 1996; DRAGET et al., 2005).

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Hershko e Nussinovitch (1998) estudaram o uso de película comestível a base de alginato de sódio em bulbo de alho armazenado a 20°C por 14 dias e verificaram que este se mostrou eficiente na redução da perda de umidade.

Filmes de alginato de cálcio foram usados como embalagem para melhorar a vida de prateleira de peixes congelados (SHETTY, 1996).

Filmes ou coberturas de alginato foram utilizados para minimizar a perda de peso, bem como a microflora natural em cenouras minimamente processadas, carcaças ovinas (LACROIX e TIEN 2005; AMANATIDOU et al., 2000), peixes, camarão e linguiça e minimizar bactérias coliformes em cortes de carne bovina que foi atribuído à presença de cloreto cálcio (LACROIX e TIEN, 2005).

Tapia et al. (2008) elaboraram filmes a base de alginato que foram adicionados com acido ascórbico e óleo de girassol. Os filmes foram reticulados com íons Ca2+. Estes foram utilizados para melhorar as propriedades de barreira, textura e nutricionais de fatias de mamão. Com base a seus resultados os autores concluíram que filmes de alginato têm um futuro promissor para o transporte de nutrientes tais como a vitamina C, acido fólico, ômega 3 que são nutrientes importantes para mulheres grávidas.

Oliveira e Soldi (2009) avaliaram as propriedades de filmes de alginato e carboximetilcelulose e da mistura de ambos para serem utilizados como recobrimento de sementes de feijão. Os autores concluíram que as características e propriedades dos filmes podem servir para serem utilizados como recobrimentos de sementes, já que os filmes não afetaram a capacidade de germinação do feijão.

2.3.4. Reticulação

Muitas pesquisas têm sido realizadas para melhorar a resistência mecânica, resistência à água e propriedades físico-químicas de filmes, coberturas e produtos elaborados com biopolímeros, através de tratamentos físico-químicos tais como reticulação por polímeros, reticulação iônica, reticulação enzimática (ligações cruzadas inter ou intra molecular), cura UV ou de calor e nanotecnologia (RHIM e NG, 2007; CARVALHO e GROSSO, 2006; SU et al., 2007).

A reticulação com íons polivalentes por troca iônica é o preferido para a elaboração de filmes e coberturas biodegradáveis e/ou comestíveis (NAKAMURA et al. 1995; AL- MUSA et al. 1999; PAVLATH et al., 1999; RHIM et al., 2004; ZACTITI, 2004; ZACTITI e KIECKBUSCH, 2005; OLIVAS e BARBOSA-CANOVAS, 2008; RUSSO et al., 2007; MULLER et al. 2008; SALAS-VALERO e KIECKBUCSH, 2008a; SALAS-VALERO e KIECKBUSCH, 2008b; ZACITI e KIECKBUCSH, 2009; SANTANA, 2010; BIERHALZ, 2010). Alginatos interagem com uma variedade de compostos

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metálicos através de vários mecanismos, incluindo a interação eletrostática, troca iônica, coordenação e reações redox (CATHELL e SCHAUER, 2007).

Íons metálicos podem ser utilizados para promover a associação das cadeias dos biopolímeros como consequência do estabelecimento de interações eletrostáticas entre os biopolímeros com cargas positivas e íons metálicos com cargas negativas (ou carga oposta ao do polímero). Assim as associações das cadeias são usadas para montar uma rede na matriz polimérica. A reticulação depende do equilíbrio de forças atrativas e repulsivas agindo entre o polímero e os íons metálicos. A tendência para a formação de ligações covalentes pode ser controlada através do pH da solução (JONES e McCLEMENTS, 2010; FARRIS et al., 2009).

O processo de gelificação do alginato por reticulação por íons polivalentes ocorre quando o solvente é confinado nos interstícios de uma rede tridimensional unida por “pontos de amarração” que envolvem a associação cooperativa de longas regiões da cadeia do polímero. Essas regiões de associação são conhecidas como zonas de junção, apresentando-se em forma de ligações covalentes com conformação ordenada (BRYCE et al., 1974). Um exemplo conhecido é a reticulação com íons Ca2+. Os grupos carboxílicos em cadeias adjacentes de alginato reagem com íons cálcio para formar uma rede tridimensional do polímero. As regiões de resíduos G alinhadas lado a lado, resultam na formação da cavidade na quais os íons cálcio fazem uma junção entre as cadeias (ver Figura 2.4). O mecanismo que melhor descreve a formação de géis de alginato na presença de íons cálcio é chamado modelo “caixa de ovos” (DAVIS et al., 2003; AYALA et al., 2008) (Figura 2.4.c).

Figura 2.4. Formação do gel de alginato de cálcio: (a) homopolímeros de unidade de ácido

gulurônico em solução; (b) ligação entre as cadeias homopoliméricas através dos íons cálcio; (c) Modelo “caixa de ovos” (BRYCE et al., 1974; KAWAGUTI, 2008)

(a)

(b)

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Allen et al. (1963) classificaram o cálcio como o agente reticulante mais efetivo; tradicionalmente é o mais utilizado na fabricação de gel. Esses géis, entretanto, são sensíveis a agentes quelantes, tais como fosfatos e citratos, ou agentes não-gelificantes como íons de sódio ou de magnésio, além de ser facilmente desestabilizados na presença de cátions monovalentes (SMIDSRØD e SKJAK-BRAEK, 1990; AYALA et al., 2008).

Existem três métodos para a gelificação do alginato de sódio com cálcio. O método mais simples é por resfriamento de uma solução de alginato contendo uma quantidade limitada de Ca2+. O gel formado não é completamente insolúvel. Um segundo método de formação de géis de alginato envolve a difusão de íons de cálcio para o interior da solução. Quando o cálcio ionizado entra em contato com o alginato em solução, um gel desenvolve-se instantaneamente na interface. A gelificação prossegue enquanto os íons de cálcio conseguem difundir através da interface gel-membrana. Em um terceiro método íons de cálcio bivalentes são homogeneamente liberados dentro de uma solução de alginato para causar gelificação uniforme, que pode ser alcançada através da dispersão prévia de um sal de cálcio de baixa solubilidade ou a dissolução desses através de mudança de pH (ISP, 2007).

Segundo Choonara (2008) a estrutura e propriedades fisico-químicas do gel de alginato reticulados dependem não somente da concentração e da estrutura química do material do gel, mas também da cinética de formação do mesmo, que depende da concentração de cátions, da força iônica, do pH, do tipo de reticulante utilizada durante a reação, do mecanismo e do grau de reticulação.

A ligação iônica mais seletiva está estritamente ligada ao conteúdo de resíduos do ácido gulurônico (G) ou mais precisamente, a extensão dos blocos G nas cadeias do alginato. Por exemplo, a L. Hiperbórea (ver Tabela 2.1) possui a maior capacidade de formação de géis. Assim, esta alga é muito utilizada para diversas aplicações devido a sua alta capacidade de formação géis fortes (ONSØYEN, 2001; McHUGH, 2003).

A afinidade do alginato com diferentes íons metálicos varia de acordo com as propriedades do alginato, como a relação M:G e da força iônica, como também com as propriedades dos íons, como o raio iônico, efeitos estéricos, eletronegatividade. A afinidade do alginato por íons divalentes, segundo Davis et al. (2003) e Yrr et al. (2006) varia de acordo com as sequências:

Ba> Pb > Cu > Sr > Cd > Ca > Zn> Ni> Co> Fe = Mn > Mg; (DAVIS et al., 2003).

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Tabela 2.1. Típicos perfis de blocos G e M de diferentes algas

Tipo de alga marinha % MM % MG + % GM % GG

Laminaria hyperborea (caule) Laminaria hyperborea (folha) Laminaria digitata Eclonia maxima Macrocystis pyrifera Lessonia nigrescens Ascophyllum nodosum Laminaria japonica Durvillea antarctica Durvillea potatorum 18 36 39 38 40 43 56 48 58 69 24 38 32 34 40 34 18 34 26 16 58 26 29 28 20 23 26 18 16 15 Fonte: Onsøyen (2001)

Existe uma diferença de ordem na sequência de afinidade do alginato com íons divalentes observadas por Yrr et al. (2006) e Davis et al. (2003), isto devido a mudança de ordem principal do Ba2+, como também do Pb, Sr, Cd, Ni, Co e as sequências anteriores e posteriores ao Ba2+. Essas diferenças podem ser atribuídas à dependência da afinidade de fatores intrínsecos ao alginato, aspectos como o método utilizado para a obtenção das partículas, sua porosidade, quantidade de água presente, elasticidade e a esfericidade devem ser considerados.

Alginatos são insolúveis quando reticulados com cátions di ou trivalentes, com exceção do Mg2+ que se mostra sem resistência à água. No entanto, este biopolímero reticulado com cátions monovalentes é solúvel em água (PAVLATH et al., 1999; USOV, 1999).

Dentre estes cátions, o cálcio, o bário e o estrôncio têm sido mais investigados como agentes reticuladores, sobretudo na formação de géis para o encapsulamento de fármacos ou para a imobilização de células porque são considerados não tóxicos para esses tipos de fins (WIDERØE e DANIELSEN, 2001; GOMBOTZ e WEE, 2003). Os resultados indicam que o poder gelificante também depende da relação M/G do alginato e que o tamanho do cátion envolvido também influencia. Como o raio do Ba2+ é maior (1,74 Å) se comparado com o Ca2+ (1,14 Å), ele forma uma estrutura mais forte e compacta, com menor absorção de água (AL-MUSA et al., 1999; BAIJA e SHARMA, 2004; CLARK e ROSS-MURPHY, 1987; GOMBOTZ e WEE, 2003).

Dentre os íons trivalentes, o poder gelificante do Al3+ é o mais estudado em alginatos. (NOKHODCHI e TAILOR, 2004; GREGOR et al., 1996; PAVLATH et al., 1999). O comportamento do alumínio é diferenciado dos cátions divalentes, pois pode formar estruturas não planares (ver Figura 2.5), satura a carga negativa dos alginatos com mais rapidez e seu pequeno tamanho (raio: 0,68 Å) o torna muito lábil e de fácil difusão. O comportamento gelificante do Al3+ se situa entre o do Ca2+ e do Ba2+ (BAJPAI e SHARMA, 2004).

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Yrr et al. (2006) elaboraram microesferas de alginato com alto conteúdo de blocos G, reticuladas com íons Ba2+, Sr2+ e Ca2+. Os autores relatam que a utilização de bário e estrôncio resultou em aumento da estabilidade e resistência das microesferas em relação às propriedades obtidas utilizando cálcio. Além disso, a permeabilidade da microesferas foi muito reduzida quando se utilizou os íons Ba2+ e Sr2+ do que com íons cálcio.

Karagunduz e Unal (2006) desenvolveram esferas de alginato e avaliaram um novo método usando dados de pH (na faixa de 3 a 4) e condutividade para calcular ligação de metais pesados com o alginato. Relataram que o método foi bem sucedido na determinação das taxas de sorção de metais em esferas de alginato, e concluíram que a extensão do intercâmbio e a afinidade do metal com o alginato foi maior para íons Cu2+ e as menores foram para Mn2+ e Fe2+.

Reticulação com Ca2+

Reticulação com Al3+

Figura 2.5. Formação da rede do gel do alginato por íons multivalentes (YALPANI, 1998)

Choonara e colaboradores analisaram as propriedades físico-químicas e reológicas de esferas a base de alginato reticulados com íons Ba2+, Ca2+, Zn2+ e combinações entre os íons. Os autores relataram que a estrutura formada por as interações de resíduos G do alginato com íons Ba2+, foi termodinamicamente mais favorável que quando se utilizou íons Ca2+ e Zn2+; isto devido a seu raio atômico ser maior e ter uma estrutura ortoédrica produzindo um arranjo mais compacto na rede polimérica (ver Figura 2.6). Além disso, o Ba2+ mostrou maior seletividade por resíduos G do alginato que o Ca2+ e o Zn2+, e exibiu um efeito dominante na mistura com outros íons. Consequentemente a

Reticulação metal divalente Metal univalente Reticulação metal trivalente Reticulação metal divalente Metal univalente Reticulação metal trivalente

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presença de BaCl2 demonstrou um grau reticulação superior em relação aos outros íons utilizados (CHOONARA et al., 2008).

Em 1992 Zekorn et al. elaboraram esferas de alginato reticuladas com íons Ba2+ (beads) com ênfase à micro encapsulação de células do tecido do pâncreas que expelem insulina. Os autores concluíram que a reticulação das esferas de alginato com íons Ba2+ representa um simples passo para o isolamento das células que expelem insulina.

Figura 2.6. Esquema das interações entre íon Ba2+ com moléculas de H2O e metades de–COOH

sobre resíduos G dentro a matriz do alginato (CHOONARA et al., 2008).

A reticulação de alginato com íons divalentes e trivalentes tem sido utilizada para preparar inúmeros trabalhos tais como: sistemas de liberação, engenharia do tecido, esferas/ micro esferas, membranas, geles, filmes biodegradaveis, soluções, coberturas, comprimidos, matrizes, Micro/nano encapsulamentos para a imobilização de células vivas e proteínas, Absorção e bioabsorção de metais no controle de resíduos poluentes (SMIDSRØD 1973; ZEKORN et al., 1992; AL-MUSA et al., 1999; PAVLATH et al., 1999; NAKAMURA et al., 2000; DAVIS et al., 2003; WANG et al., 2003; RHIM, 2004; ZACTITI, 2004; BAIJA e SHARMA, 2004; LEE et al., 2005; ZACITI e KIECKBUCSH, 2005; KARAGUNDUZ e UNAL, 2006; CHAN et al., 2006; CATHELL e SCHAUER, 2007; RUSSO et

al., 2007; CHING et al., 2008; CHOONARA et al., 2008; MOURA et al., 2008; SALAS-VALERO e

KIECKBUCSH, 2008a; SALAS-VALERO e KIECKBUSCH, 2008b; JAY e SALTZMA, 2009; ZACITI e KIECKBUCSH, 2009; RUSSO et al., 2010; SANTANA et al., 2010; BIERHALZ, 2010).

2.4

Plastificantes

Filmes e coberturas comestíveis biodegradáveis especialmente de polissacarídeos e proteínas são estruturas frequentemente frágeis e rígidas. Devido às extensas interações entre as moléculas

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de polímero, na maioria dos casos é necessário adicionar um plastificante (KROCHTA, 2002; HAN e GENNADIOS, 2005).

Plastificantes podem ser definidos como compostos pequenos de baixo peso molecular, não volátil e que são adicionados aos compostos poliméricos formadores de filmes para diminuir a temperatura de transição vítrea e desta maneira reduzir a fragilidade, aumentar a flexibilidade, e aprimorar a tenacidade dos filmes (GUILBERT et al., 1997; SOTHORNVIT e KROCHTA, 2000; KROCHTA, 2002; SOTHORNVIT e KROCHTA, 2005; HAN e GENNADIOS, 2005).

Os plastificantes são capazes de se posicionar entre as moléculas de polímero e de interferir com a interação polímero-polímero para aumentar a flexibilidade e capacidade de processamento (HAN e GENNADIOS 2005; KROCHTA, 2002). Além disso, plastificantes reduzem a descamação e fissuras do filme ou cobertura, e melhoram a resistência do filme ou cobertura. De um modo geral, plastificantes são capazes de reduzir as forças intermoleculares ao longo das cadeias poliméricas, aumentando o volume livre e os movimentos em cadeia (MILLER et al., 1997; SOTHORNVIT e KROCHTA, 2005; CONCA, 2002, BERGO et al., 2009). No entanto, a adição de plastificantes afeta não apenas o módulo de elasticidade e outras propriedades mecânicas, mas também a resistência de filmes comestíveis e coberturas à penetração de vapores, gases e solutos (GONTARD et al., 1993; SOTHORNVIT e KROCHTA, 2001; HAN e GENNADIOS, 2005; CONCA, 2002).

Segundo Sothornvit e Krochta (2000, 2001) existem dois tipos principais de plastificantes:

i) Agentes capazes de formar ligações de hidrogênio, interagindo com os polímeros, interrompendo a ligação polímero-polímero e aumentando a distância entre cadeias de polímeros.

ii) Agentes capazes de interagir com grandes quantidades de água para reter mais moléculas de água, resultando em maior teor de umidade e maior raio hidrodinâmico. No entanto, devido à natureza hidrofílica de biopolímero e plastificantes, e devido às pontes de hidrogênio existentes em abundância em suas estruturas, é muito difícil separar esses dois mecanismos.

Sothornvit e Krochta (2001) sugeriram que várias características dos plastificantes afetam a eficiência de plastificação, incluindo a forma e tamanho das moléculas de plastificante, o número de átomos de oxigênio e sua distância espacial dentro da estrutura do plastificante, e capacidade de ligação de água (HAN e GENNADIOS, 2005).

A maioria dos plastificantes são hidrofílicos e higroscópicos, e atraem as moléculas de água formando um grande complexo aquoso Em geral, para filmes de proteínas e/ou polissacarídeos, os plastificantes rompem as ligações de hidrogênio inter e intra-molecular, aumentam a distância entre

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as moléculas de polímero, e reduzem a proporção cristalina para uma região amorfa (KROCHTA, 2002; HAN e GENNADIOS, 2005).

Os plastificantes mais usados em sistemas de filmes são os monossacarídeos, dissacarídeos e oligossacarídeos (por exemplo, glicose, frutose-xaropes, sacarose e mel), polióis (por exemplo, glicerol, sorbitol, xilitol, derivados de glicerina, e glicóis de polietileno), lipídeos e seus derivados (por exemplo, fosfolipídios, ácidos graxos, e surfactantes). A proporção de plastificante adicionado é de 10% a 60% em base seca do polímero, dependendo da rigidez do polímero (SOTHORNVIT e KROCHTA, 2005; SANTANA, 2010).

O glicerol é preferencialmente usado na elaboração de filmes comestíveis biodegradáveis por apresentar melhora no alongamento, intumescimento e outras propriedades dos filmes (GONTARD

et al., 1993; FARLEY et al., 1996; SOTHORNVIT e KROCHTA, 2000,2001; LAOHAKUNJIT e

NOOMHORM, 2002; SOBRAL et al., 2005; MALI et al., 2005; MOORE et al., 2006; CARVALHO e GROSSO, 2006; SHIMAZU et al., 2007; MULLER et al., 2008; BERGO et al., 2009; GALDEANO et

al., 2009; ZHANG e MITTAL, 2010; HOQUE et al., 2011), em especial nos filmes elaborados com

alginato de sódio (RHIM et al., 2004; ZACTITI, 2004; KIECKBUCSH, 2005; PONGJANYAKUL e PUTTIPIPATKHACHORN, 2007; OLIVAS e BARBOSA-CANOVAS, 2008; SALAS-VALERO e KIECKBUSCH, 2008a; SALAS-VALERO e KIECKBUSCH, 2008b; ZACITI e KIECKBUCSH, 2009; BIERHALZ, 2010; RUSSO et al., 2010).

As moléculas de água nos filmes também funcionam como plastificantes. A água é realmente um excelente plastificante, mas pode ser facilmente perdida por desidratação em baixa umidade relativa (HAN e GENNADIOS, 2005). Portanto, a adição de plastificantes químicos hidrofílicos ao filme pode reduzir a perda de água, aumentar a quantidade de água ligada, e manter uma alta atividade de água (HAN e GENNADIOS, 2005).

2.5

Elaboração de filmes de alginato.

O alginato pode formar filmes uniformes, transparentes e flexíveis, porém com pouca resistência mecânica, resistência à umidade e alta solubilidade em água. Filmes de alginato podem ser reticulados por imersão em soluções de íons polivalentes, se tornando insolúveis em água. Este tipo de reticulação induz as interações iônicas seguidas por ligações de hidrogênio. Com este processo de reticulação os filmes podem apresentar melhores propriedades físico-químicas dependendo do íon utilizado (PAVLATH et al., 1999; AL-MUSA et al., 1999; RHIM, 2004; ZACTITI e KIECKBUSCH, 2005; RUSSO et al., 2007; SALAS-VALERO e KIECKBUSCH, 2008a).

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Alginatos possuem boas propriedades de formação de filmes, mas tendem a ser muito quebradiços (quando seco), no entanto, podem ser plastificados com a inclusão de glicerol. Filmes a base de alginato são impermeáveis a óleos e gorduras (LACROIX e TIEN, 2005).

Existe um número grande de trabalhos relatando características físico-químicas, mecânicas e higroscópicas de filmes de alginato reticulados com íons cálcio. Todos partem de um filme de alginato de sódio e realizam a reticulação por difusão de Ca2+ nessa matriz (REMIÑÁN-LÓPEZ e BODMEIER, 1997; RHIM, 2004; ZACTITI e KIECKBUSCH, 2005; CARULO 2005; TURBIANE, 2007; RUSSO et al., 2007; OLIVAS e BARBOSA-CANOVAS, 2008; TAPIA et al., 2008; ZACITI e KIECKBUCSH, 2009; SANTANA, 2010; BIERHALZ, 2010).

As pesquisas desenvolvidas por Zactiti e Kieckbusch (2005) conduziram a um processo próprio de produção de filmes de alginato que consiste em dois estágios, conforme pode ser acompanhado pela Figura 2.7. No 1° Estágio obtém-se um filme de baixo grau de reticulação com íons Ca2+, produzido por casting e secagem em um molde de acrílico. Esse filme é manuseável, sua matriz polimérica é homogênea com cadeias poliméricas linearmente organizadas, mas é completamente solúvel em água. Quando em contato com uma solução mais concentrada de cálcio (2° Estágio), esse filme tem facilidade em receber esse íon por difusão e agregá-lo em sua estrutura. Como resultado, o filme apresenta baixa solubilidade em água e sua permeabilidade ao vapor de água (PVA), resistência mecânica e taxa de liberação de anti-micóticos podem ser ajustados pelo grau de reticulação no 2° Estágio. Esses filmes usam glicerol como plastificante.

Lima et al. (2007) reticularam o filme de alginato de sódio com formaldeído, e utilizaram sorbitol como plastificante; os autores obtiveram filmes insolúveis em água, mas permeáveis ao vapor de água e um módulo de elasticidade menor.

Filmes contendo cátions diferentes do Ca2+ foram estudados por Al-Musa et al. (1999) e por Nakamura et al. (1995). Esses, entretanto, não continham plastificante. Al-Musa et al. (1999) reticularam filme de alginato de sódio com um contato (30 min) com soluções muito concentradas (30%) de CaCl2, BaCl2 e AlCl3. Essa condição intensa de reação fez com que só a superfície fosse compactada pela reticulação e os cátions (com exceção do Al3+, que tem menor raio) tiveram dificuldades em difundir e reticular a parte interior do filme. O filme se apresentava enrugado e com aspecto pouco atraente.

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Figura 2.7. Fluxograma da elaboração de filmes de alginato (ZACTITI e KIECKBUSCH, 2004).

Nos ensaios de liberação, em todas as comparações realizadas, os filmes reticulados com alumínio retiveram melhor o fármaco do que filmes com cálcio. Os autores afirmam que numa reticulação tri-dimensional, o alumínio é capaz de promover uma estrutura mais compacta. A reticulação superficial que o bário consegue realizar, por outro lado, é tão intensa que, na prática, não foi constatada nenhuma liberação do fármaco.

Em 1995, Nakamura et al. estudaram as propriedades térmicas de filmes de alginatos insolúveis em água, contendo cátions di e trivalentes. Os resultados mostraram que as moléculas de alginato formam uma grande quantidade de estruturas compactas. A mudança na estrutura do filme de alginato, durante a troca iônica, foi investigada pela temperatura de transição vítrea (Tg) e capacidade calorífica (Cp), usando DSC. A Tg dos alginatos decresceu na seguinte ordem: Al3+ > Ca2+ > Fe2+ > Cu2+ > Na+. Essa sequência corresponde a uma diminuição da estabilidade e coesão da estrutura polimérica. Os autores concluíram que os valores de Tg e Cp dependem do raio iônico dos cátions (NAKAMURA et al., 1995).

DISSOLUÇÃO

Placa de aquecimento e agitador mecânico 900rpm, 70ºC, 10 min

PRÉ-RETICULAÇÃO 900 rpm, 70ºC

SECAGEM

70 mL de solução vertida em molde (d=15 cm) Estufa à 40º C, 18 horas Alginato de sódio 6g Solução reticuladora (30mL 0,8% CaCl2.2H2O)

Filme de baixo grau de reticulação

RETICULAÇÃO COMPLEMENTAR 50 mL de solução reticuladora (>3% CaCl2.2 H2O) e

glicerol SECAGEM FINAL Estufa à 30ºC, 20 horas FILME RETICULADO 1º E S T Á G I O 2º E S T Á G I O ACABAMENTO

48 horas em ambiente de 52% UR, 25ºC Glicerol (0,6 g/g alginato) Água destilada